Theoretisch natuurkundige Farokh Mivehvar heeft de interactie onderzocht van twee verzamelingen atomen die licht uitstralen in een kwantumholte:een optisch apparaat dat bestaat uit twee hoogwaardige, kleine spiegels die naar elkaar toe zijn gericht en die het licht gedurende langere tijd binnen een klein gebied opsluiten. Het model en de voorspellingen kunnen worden geïmplementeerd en geobserveerd in geavanceerde holte-/golfgeleider-kwantum-elektrodynamica-experimenten en kunnen mogelijk worden toegepast in de nieuwe generatie zogenaamde superradiantlasers.

Superstraling is een van de meest verrassende en opvallende verschijnselen in de kwantumoptica. Het kan echter intuïtief worden begrepen door een atoom voor te stellen als een kleine antenne die onder de juiste omstandigheden licht (of, technisch gezien, elektromagnetische straling) kan uitzenden.

"Stel je nu voor dat er een verzameling N-atomen is. Wanneer deze N-atomen ver van elkaar verwijderd zijn en thermisch opgewonden zijn, stralen ze onafhankelijk van elkaar uit, zodat de intensiteit van het uitgezonden licht evenredig is met het aantal atomen, N ", legt Farokh Mivehvar van de afdeling Theoretische Fysica van de Universiteit van Innsbruck uit.

Als deze atomen zich echter heel dicht bij elkaar bevinden, beginnen de atoomantennes met elkaar te praten en synchroniseren ze vervolgens met elkaar, waardoor ze licht uitzenden waarvan de intensiteit gelijk is aan het kwadraat van het aantal atomen.

‘Je kunt je deze situatie voorstellen als de atomen die één enkele gigantische antenne vormen die efficiënter licht uitzendt’, zegt Farokh Mivehvar. "Als gevolg hiervan zenden de atomen hun energie N keer sneller uit dan onafhankelijke atomen." Dit effect wordt superstraling genoemd.

Op weg naar superstralende lasers

In zijn recente werk, gepubliceerd in Physical Review Letters , heeft Farokh Mivehvar theoretisch twee verzamelingen atomen overwogen, die elk een aantal atomen bevatten (N₁ en N₂ ), in een kwantumholte. In elk ensemble bevinden de atomen zich zeer dicht bij elkaar en kunnen ze superstralend licht uitstralen.

‘Het is echter niet a priori duidelijk hoe deze twee gigantische antennes, geassocieerd met de twee atomaire ensembles, tegelijkertijd licht kunnen uitstralen’, zegt Mivehvar. Dit blijkt niet triviaal te zijn. "In het bijzonder vinden we twee verschillende manieren waarop de twee gigantische antennes licht kunnen uitzenden."

Op de eerste manier werken de twee gigantische antennes met elkaar samen en vormen ze één enkele superreuzenantenne, die nog sterker licht uitstraalt. Op de tweede manier concurreren de twee gigantische antennes echter op destructieve wijze met elkaar, waardoor de emissie van superstralend licht wordt onderdrukt.

In het bijzonder wanneer de twee ensembles hetzelfde aantal atomen hebben, wordt de emissie van superstralend licht volledig onderdrukt. "Daarnaast vinden we ook gevallen waarin de twee gigantische antennes licht uitzenden dat een superpositie is van de twee eerder genoemde typen en een oscillerend karakter heeft", zegt Farokh Mivehvar.

Het model en de voorspellingen kunnen worden geïmplementeerd en geobserveerd in geavanceerde holte-/golfgeleider-kwantum-elektrodynamica-experimenten. De bevindingen kunnen ook worden toegepast in de nieuwe generatie zogenaamde superradiantlasers.

Meer informatie: Farokh Mivehvar, Conventionele en onconventionele Dicke-modellen:multistabiliteiten en niet-evenwichtsdynamiek, Fysieke beoordelingsbrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.073602. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2307.05686

Aangeboden door de Universiteit van Innsbruck